JP4452500B2 - 繊維／金属マトリックス複合体の形成中に複合体予備成形物成分を制御するための方法 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

（発明の分野）
本発明は、連続繊維／金属マトリックス複合体の形成に使用される予備成形物に関するものであり、より詳細には、加工の際に所定の位置に複合体予備成形物成分(element)を保持するための方法に関する。

（発明の背景）
連続繊維／金属マトリックス複合体の形成に使用される複合体予備成形物は、繊維と、ホイル状、粉末状または針金状のマトリックス金属とモノフィラメント繊維との組み立て品から構成される。これらの組み立て品は、例えばリング(ring)やロッド(rod)の製造に使用される。それぞれの場合において、先駆体の繊維と金属との組み立て品をマンドレルに巻き、強化領域を形成する。リングの場合、例えば、輪状凹部のある基盤(substrate)またはマンドレルに、金属線と繊維との集合体(collection)を巻くことによって組み立て品を形成することができる。ロッドの場合、まず初めに、接着剤で付着させた繊維層と金属層とを備えるプリプレグシートを製造する。次いで、このシートを円柱状マンドレルに巻き、組み立て品を形成する。

リングとロッドとの両方の組み立て品の場合、製造工程全体にわたり繊維成分と金属成分との相対的な位置を維持するような位置に、巻いた組み立て品を保持しなければならない。リング組み立て品の場合、巻き上げ品が巻き戻らないようにすることが必要である。また、ロッド組み立て品の場合、プリプレグシートを製造するために使用される接着剤を取り除くための排気操作においてロッドを巻き上げる際に生じる減量（debulking）のために、巻き上げ品が巻き戻らないよう、そしてそれに伴って縮小しないようにすることが必要である。

近年、可塑性袋状容器(bladder)の使用、およびそれに伴う組み立て品に抵抗して空気袋を保持する圧力差を使用して、有機複合体製品の巻いた組み立て品を所定の位置に保持する。金属製マトリックス複合体の場合、この加工ハードウェアは、代表的なエラストマーに適切な温度よりもはるかに高い高温操作に適していなければならない。従って、代表的に、このような加工のための封入(encapsulation)ハードウェア(hardware)は、スチールまたはチタン金属のいずれかからなり、これら両方の金属は、プロセス温度および圧力が非常に高い値に達すると、巻いた組み立て品を圧力差で押すのに十分な可塑性を有する
。従って、組み立て品は、ほとんどの製造プロセスにおいて留め金具が外された状態であり、加工中に金属と繊維との組み立て品成分の好ましくない動きを引き起こすという深刻な不都合を導く。

その結果、製造プロセス全体を通して、巻いた組み立て品成分の相対的な位置を制御し
、該成分を所定の位置に留めるための簡単で効果的な方法が必要とされている。本発明の方法はこの必要性を満たすものである。

（発明の概要）
本発明の新規の改善された方法において、チタンのような適切な耐熱性金属からなる針金を繊維／金属マトリックス複合体予備成形物かららせん状に巻くことによって、製造プロセス全体を通して、マンドレルまたは基盤に繊維と金属との繊維／金属マトリックス複合体予備成形物を留め、所定の位置に保持する。マンドレルまたは基盤中の溝または他の穴に留め針金の末端を挿入するか、あるいはマンドレルまたは基盤に取り付けることによって、留め針金の末端を固定する。留め針金をらせん状に巻き付ける間の巻き線のピッチおよび留め針金により供給される張力は、特定の巻き上げた繊維／金属マトリックス複合体予備成形物の特性に基づいて選択する。例えば、金属粉末／繊維からなる繊維／金属マトリックス複合体予備成形物の場合、針金の外装が互いに係合するように、留め針金の外装を当該繊維／金属マトリックス複合体予備成形物自体に強く巻き付ける。従って、加工中における巻き上げ繊維／金属マトリックス複合体予備成形物からの力の移動を防ぐ。金属針金／繊維からなる繊維／金属マトリックス複合体予備成形物、または金属ホイル／繊維からなる繊維／金属マトリックス複合体予備成形物の場合、留め針金間の間隔はより大きい。

このように、留め針金を巻き付ける間の留め針金への張力は、針金の外装と巻いた繊維／金属マトリックス複合体予備成形物との間の密接な接触を保証し、外装への特定量の弾性コンプライアンスを確立する。例えば、留め針金の外装を巻き付けながら張力をかけ、加工中に巻き上げ繊維／金属マトリックス複合体予備成形物の所定の直径縮小に適応させる。

（図の簡単な説明）
図１は、繊維と、ホイル状、粉末状または針金状のマトリックス金属との繊維／金属マトリックス複合体予備成形物からなる連続繊維／金属マトリックス複合体を形成するための代表的なプロセスの流れを示すブロック図である。図２は、製造加工前のリング部品のための金属針金／繊維からなる繊維／金属マトリックス複合体予備成形物の部分的に断面の側面図である。図３は、留め針金が製造加工前に金属針金／繊維からなる繊維／金属マトリックス複合体予備成形物をらせん状に包んでいる図２に類似した側面図である。図４は、留め針金がロッド部品のための金属繊維プリプレグシートからなる繊維／金属マトリックス複合体予備成形物の部分的に断面の側面図である。図５は、留め針金が製造加工前に金属繊維プリプレグシートをらせん状に包んでいる図４に類似した側面図である。

（好ましい実施形態の説明）
図１は、繊維と、ホイル状、粉末状または針金状のマトリックス金属とモノフィラメント繊維との繊維／金属マトリックス複合体予備成形物からなる連続繊維／金属マトリックス複合体を形成するための一般的なプロセスの流れをブロック図で示したものである。ブロック２において、巻き付けるためのマンドレルを用意する。その後、繊維成分と金属成分とをマンドレルに巻き付け（ブロック４）、マンドレルおよび該マンドレルに巻いた繊維／金属マトリックス複合体予備成形物を、当業者に周知の方法でプロセスハードウェアに封入する（ブロック６）。次いで、マンドレルに巻いて封入した繊維／金属マトリックス複合体予備成形物を排気して接着剤および他の揮発性物質を取り除き（ブロック８）、繊維／金属マトリックス複合体予備成形物の隙間および接合面を取り除いて繊維／金属マトリックス複合体予備成形物を固定する（ブロック１０）。そして、最終的な部品が形成される（ブロック１２）。

図２は、金属針金／繊維からなる繊維／金属マトリックス複合体予備成形物がマンドレルまたは基盤１６の輪状凹部１４内で巻き上げられている輪状成分についての図１のブロック４の方法工程を示したものであり、ここで、巻いた繊維／金属マトリックス複合体予備成形物は、任意の所望の方向に並ぶ巻き上げられた金属針金１８と繊維２０との交互の列を選択された数または所定の数だけ備える。金属針金の代わりに、金属は、ホイルまたは粉末の状態であってもよく、巻いた繊維／金属マトリックス複合体予備成形物は接着層を備え、当業者に周知の方法で部品を保持する。

図３は、図１のブロック６のプロセス工程における、図２の金属針金／繊維からなる繊維／金属マトリックス複合体予備成形物に適用された本発明の針金の外装を示している。本発明において、金属製袋状容器などの代わりに、金属針金／繊維からなる繊維／金属マトリックス複合体予備成形物の外面の周りに、所望の張力で、高耐熱性金属からなる金属保持針金２２をらせん状に巻き付け、図１のブロック８、１０、および１２に示した連続の加工において、針金および繊維を所望の位置に保持する。金属保持針金２２は、チタン、モリブデン、タングステン、リチウム、またはチタン／モリブデン合金からなる。保持針金を所望の張力がかかった位置に保持するために、当該保持針金の末端２４を、マンドレルまたは基盤１６の溝２６に挿入するか、あるいは任意の適切な方法で、マンドレルまたは基盤１６に固定する。

保持針金２２の大きさおよび形状、ならびに金属針金／繊維からなる繊維／金属マトリックス複合体予備成形物上の当該保持針金２２の間隔および張力を、巻いた繊維／金属マトリックス複合体予備成形物の特有の構造および性質によって決定する。例えば、金属粉末／繊維からなる繊維／金属マトリックス複合体予備成形物の場合、留め針金が互いに係合するように、針金の外装を当該繊維／金属マトリックス複合体予備成形物自体に強く巻き付ける。従って、その後の加工において繊維／金属マトリックス複合体予備成形物からの金属粉末の流動を防ぐことができる。

図２および３で示した金属針金／繊維からなる繊維／金属マトリックス複合体予備成形物の場合、保持針金２２は一般的に、１インチあたり２０〜５０本の針金となるように一定の間隔を保っており、金属ホイル／繊維からなる繊維／金属マトリックス複合体予備成形物における保持針金２２の間隔はさらに広い（例えば、１インチ当たり５本の針金）。

図４は、金属／繊維プリプレグシート３０が、マンドレル３２上に所望の数の層で巻き上げられたロッド部品についての、図１のブッロク４における方法工程を示す。プリプレグシート３０は適切な接着剤で付着させた繊維層と金属層とを備える（図示せず）。金属マトリックス層は、針金、ホイル、または粉末状である。

図５は、図４に類似した図であり、マンドレル３２上の金属／繊維プリプレグシート３０の外面の周りに、所望の張力でらせん状に巻き付けられた、本発明の金属保持針金３４を示す。所望の張力がかかった位置に保持針金３４を維持するために、任意の適切な方法で当該保持針金の末端をマンドレルに固定する（図示せず）。

本発明の金属針金の外装の使用を介して、排気、加熱、固定化、および二次加工のような続きの製造工程中に、巻き上げられた金属部品および繊維部品を、所望の相対的な位置に維持する。保持針金２２、３４への張力は、針金の外装と繊維／金属の巻いた繊維／金属マトリックス複合体予備成形物との間の密接な接触を保証し、外装への特定量の弾性コンプライアンスを確立する。例えば、外径１２インチのリング巻き上げ品の場合、金属針金の外装を巻き付けながら張力をかけ、加工中の０．１インチの直径縮小に適応させる。保持針金２２、３４は、加工後、金属／繊維強化部に隣接した金属構造の一部分となる。

本発明の金属の外装の使用は、製造プロセスの前にマンドレルと巻いた繊維／金属マトリックス複合体予備成形物とを封入するためにこれまでに使用されてきた金属性袋状容器を越えた顕著な改善を示すことが明らかである。本発明の金属の外装は、製造プロセス全体にわたり、巻いた金属部品および繊維部品を留めて保持し、所望の強化繊維／金属マトリックス複合体部品の形成を保証する。また、本発明の金属の外装は、単純な構造で、安価であり、所望の方法で巻いた繊維／金属マトリックス複合体予備成形物に適用することが容易である。

最も実際的で好ましい実施形態であると考慮されるように本発明を本明細書中に説明するが、本発明は開示の実施形態に限定されず、添付の請求項の精神および範囲に含まれる様々な改変および等価の配列を含むことを意図していることが理解されるべきである。

繊維と、ホイル状、粉末状または針金状のマトリックス金属とからなる連続繊維／金属マトリックス複合体を形成するための代表的なプロセスの流れを示すブロック図である。 製造加工前のリング部品のための金属針金／繊維からなる繊維／金属マトリックス複合体予備成形物の部分的に断面の側面図である。 留め針金が製造加工前に金属針金／繊維からなる繊維／金属マトリックス複合体予備成形物をらせん状に包んでいる図２に類似した側面図である。 留め針金がロッド部品のための金属繊維プリプレグシートからなる繊維／金属マトリックス複合体予備成形物の部分的に断面の側面図である。 留め針金が製造加工前に金属繊維プリプレグシートをらせん状に包んでいる図４に類似した側面図である。

Claims (11)

1. 繊維と、ホイル状、粉末状または針金状のマトリックス金属との繊維／金属マトリックス複合体予備成形物をマンドレル上に配置する工程と、
   上記繊維／金属マトリックス複合体予備成形物を上記マンドレル上の位置に保持するために、上記繊維／金属マトリックス複合体予備成形物の上に、所定の耐熱性金属の保持針金をらせん状に張力をかけながら巻くことによって、留め針金の外装を形成する工程と、
   上記マンドレル上の位置に保持されている、上記留め針金の外装が形成された上記繊維／金属マトリックス複合体予備成形物を用いて、繊維／金属マトリックス複合体を形成する工程と、を含むことを特徴とする、繊維／金属マトリックス複合体の形成中に繊維／金属マトリックス複合体予備成形物を所定の位置に保持するための方法。
2. 上記保持針金がチタンからなる、請求項１に記載の方法。
3. 上記保持針金の末端を上記マンドレルと接続する、請求項１に記載の方法。
4. 上記保持針金に隣接したコイルが互いに係合するような張力をかけて、上記保持針金をらせん状に巻き付ける、請求項１に記載の方法。
5. 上記保持針金に隣接したコイルが互いに一定間隔を保つような張力をかけて、上記保持針金をらせん状に巻き付ける、請求項１に記載の方法。
6. 繊維とマトリックス金属との巻いた繊維／金属マトリックス複合体予備成形物の性質および構造によって決定されるピッチ、間隔、および張力で、上記保持針金をらせん状に巻き付ける、請求項１に記載の方法。
7. 繊維とマトリックス金属との上記繊維／金属マトリックス複合体予備成形物を上記マンドレル上に巻き付ける、請求項１に記載の方法。
8. 上記保持針金がモリブデンからなる、請求項１に記載の方法。
9. 上記保持針金がタングステンからなる、請求項１に記載の方法。
10. 上記保持針金がリチウムからなる、請求項１に記載の方法。
11. 上記保持針金がチタン／ニオビウム合金からなる、請求項１に記載の方法。

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